熱鍍鋅鍋結構的優化改進

胡林波

(中電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢，430011)

0 前言

熱鍍鋅是一種有效的金屬防腐方式。鋼鐵材料經過熱鍍鋅后，其耐腐蝕性能可以提高11～28倍，使用壽命可以達到25年以上[1-4]。熱鍍鋅鍋是鍍鋅工藝的一個的關鍵設備，其功能是將熔融的鋅液涂覆到鍍件表面，從而形成表面鍍層，提高鋼鐵件的耐腐蝕性能。但是熔融鋅對鋼鐵材料具有很強的腐蝕性導致熱鍍鋅鍋的使用壽命很短，而熱鍍鋅鍋的使用壽命又會直接影響到鍍鋅產品的產量和生產成本[5-7]。本文根據熱鍍鋅鋅層厚度控制技術項目的實際情況，對某熱鍍鋅鍋結構進行了優化改造，提高了熱鍍鋅鍋的使用壽命，降低了鍍鋅能耗，為企業節約生產成本。

1 國內外熱鍍鋅鍋的技術現狀

在熱鍍溫度下鋅鍋對熔融鋅的耐腐蝕性能很差，熱鍍時鋅鍋中的鐵會和鋅液反應生成鐵鋅合金，導致鋅鍋不斷變薄、變形甚至穿孔，鋅液泄漏和鋅鍋報廢，鋅耗增加。因此鋅鍋研究的目的是提高鋅鍋的使用壽命，降低能耗，從而降低熱鍍鋅生產成本，最終達到提高經濟效益。近年來隨著科技的發展，熱鍍鋅鍋在鋅鍋材質、鋅鍋結構和加熱方式等方面有了較大的發展。

1.1 鋅鍋材質

制造鋅鍋的材質是鋅鍋使用壽命長短的決定因素之一。國外鋅鍋的材質多為低硅、低硫、低磷的優質鋼板，其使用壽命較長，而我國鋅鍋的材質多為08F或05F等優質低碳鋼板使用壽命較短一般在3～24個月。為解決鋅鍋使用壽命短的問題，自上世紀70年代中期開始，陸續研制出防腐涂料并涂敷在鋅鍋內表面上，可以延緩鋅液對鋅鍋的腐蝕，增加鋅鍋的使用壽命，如合金涂層、WC-Co涂層及氧化物涂層等[8-11]。但是，這些措施無法從根本上解決鋅鍋使用壽命短的問題。同時，無機耐火材料如耐火混凝土、高鋁耐火磚等也被用于研究制造鋅鍋。如高鋁耐火磚砌筑的陶瓷鋅鍋使用壽命可以達到10～15年左右，但這種鋅鍋的制造要求高，易發生滲漏、浮磚等問題，國內應用的也不多[12，13]。

1.2 鋅鍋結構

根據鋅鍋各立面之間以及立面與底面的連結方式，鋅鍋的結構通常可分為三種形式。

(1)鍋壁和端部直接組焊在一塊平行底板上，其中鍋壁和端頭均為平面鋼板。此結構方式的鋅鍋底部的焊縫位置將成為應力最大的危險區。尺寸較小的鋅鍋才適合采用這種結構方式。

(2)鍋壁和端部直接組焊在一塊平行底板上，其中鍋壁為平行立面鋼板，端部為U形立面鋼板。此結構鋅鍋的底部轉角為直角，這個部位的焊縫區將成為應力最大的危險區和薄弱點，深度較大的鋅鍋尤其值得注意。一般認為，鋅鍋深度在2 m以上時不適合采用此種結構。

(3)鋅鍋由兩個端頭和一段或多段U形板拼接而成，此結構鋅鍋的危險區域產生集中應力的概率大大減小。目前，國外的大型鋅鍋多采用這種結構形式，國內應用較少。

1.3 加熱方式

目前熱鍍鋅工業中鋅鍋的加熱方式主要有外加熱、電磁感應加熱和內加熱三種。采用外側加熱方式的鋅鍋成本低、制造工藝簡單、升溫快、維修方便，應用比較廣泛[14]。但鋅鍋工作時鋅液腐蝕嚴重，使用壽命短，消耗很大。電磁感應加熱與外加熱相比具有鋅耗低，鍍件質量較好，溫差較小等優點，但鋅鍋維修困難，熔溝與爐體結合處容易漏鋅，熔溝壽命短。針對前兩種加熱方式的不足，誕生了熱鍍鋅鍋的內加熱方式。所謂的內加熱就是將耐鋅蝕加熱器插入鋅池中直接加熱鋅液，加熱效率可高達90%以上，生產環境好[15-16]。內加熱的難點在于尋求一種可以阻隔發熱體與鋅液接觸的傳熱材料，這種材料具有耐鋅液腐蝕、耐高溫且傳熱性能好等優點，可以通過材料直接將熱量傳遞至鋅液深處。采用內加熱方式能源利用率高，對應的設備結構簡單，方便操作維修，易于提高溫度控制精度。在我國，熱鍍鋅內加熱應用于生產實踐的時間較短，工業化不成熟。

2 熱鍍鋅鍋的結構改進

原熱鍍鋅鍋鍋壁和端部直接組焊在一塊平行底板上，其中鍋壁、端頭和平行底板均選用08F優質低碳平面鋼板。此鋅鍋底部的焊縫周圍易變形甚至開裂，鋅鍋使用壽命只有6個月。且鋅鍋外側和爐膛外殼的間距為580 mm，大于鍋沿寬度400 mm，因此鍋沿無法完全覆蓋爐膛，需另外焊接鋼板加長鍋沿，鋅鍋工作時外加鍋沿和鋅鍋本體溫差過大，熱脹冷縮不一致性導致鍋沿焊縫出現撕裂現象，導致熔融鋅流入爐膛燒斷電爐絲引起故障。外接鍋沿受熱變形上翹還會造成爐膛密封不嚴，導致爐膛熱量損失大，能源利用率低。根據企業老廠房改造與治理的實際情況，在考慮經濟效益、作業方便等基礎上，對熱鍍鋅鍋的結構實施了改造，改進后的熱鍍鋅鍋結構如圖1所示。

圖1 改進后的熱鍍鋅鍋結構平面示意圖

改進措施：(1)鋅鍋選用08F優質低碳鋼板，鋅鍋是由一段預彎成U形的鋼板與端頭板組焊而成。其中鋅鍋端頭板包含鋅鍋的端頭立面和小部分側立面及底面，面與面之間為圓弧過渡，端頭的兩個底角成球冠面；(2)將鍋沿寬度由400 mm加寬到650 mm，鍋沿采用和鋅鍋本體相同材料且鍋沿厚度不變；(3)改進后鋅鍋尺寸為鍋寬為1 200 mm，鍋壁厚為50 mm，鋅鍋深度為1 650 mm(鋅鍋深度與寬度比例為1.375)，鍋沿寬度為650 mm，厚度為24 mm，端頭底角直徑為400 mm。

3 改進后的鋅鍋結構特點

(1)結構改進可以使鋅鍋的危險區，包括底面與立面的轉接處、端立面與側立面的轉接處，產生應力集中的傾向大大減小。

(2)改進后的鋅鍋只有豎焊縫無橫焊縫，減小了焊縫應力腐蝕，且焊縫位置避開了鋅鍋易發生局部過熱和強烈腐蝕的部位。

(3)改進后的鋅鍋可使用自動電渣焊技術，填充電極用與鋅鍋鋼板完全相同的低硅材料軋制或拉制而成。

(4)改進后的鋅鍋鍋沿和本體材料一致，熱漲冷縮系數一致，鋅鍋出廠前進行整體退火，鍋沿在工作過程中(特別是化鋅升溫和停爐檢修時)不易發生變形。

(5)改進后的鋅鍋鍋沿可以完全覆蓋爐膛，減少了爐膛的熱量損失，提高了能源利用率，為企業節約了生產成本。

4 使用效果

經過將近三年的實際生產運行表明，鋅鍋的使用壽命由6個月增加至12個月。鋅鍋鍋沿保溫性能提高，能耗降低。鋅鍋單位耗電量由2015年的143.65°/t降低到2017年的139.3°/t，能耗減少3%。減少了鍋沿漏鋅的風險，提高了生產的安全性。